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7地应力测量


§7.1.0

基本概念

(1)地应力:
英语名称:virgin stress of rock (rock mass) initial stress of rock (rock mass)

指存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。 也称原岩应力、初始应力。

§7.1.0
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br />基本概念

(2)原岩:
英文名称:virgin/initial rock 指未受采掘影响的天然岩体。

(3)原岩应力场:
英文名称:virgin/initial stress field of rock 指原岩应力在岩体内的分布。

§7.1.0

基本概念

(4)自重应力:
英文名称:gravity stress 指由于上覆岩层重力引起的应力。 也称岩重应力。

§7.1.0

基本概念

(5)构造应力:
英文名称:tectonic stress 指由于地壳构造运动在岩体中形成的应力。

§7.1.1

自重应力

自重应力的特点: (1)普遍存在; (2)与埋藏深度成正比关系; (3)与上覆岩层容重成正比关系。

§7.1.2

构造应力

构造应力的特点: (1)以水平压应力为主; (2)分布不均匀; (3)具有明显方向性; (4) (5)在坚硬岩层中出现较普遍。

§7.2.1

地应力分布的基本规律

之一:地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场, 它是时间和空间的函数。 之二:垂直地应力基本等于上覆岩层的重量。
在世界多数地区并不存在真正的垂直应力,即没有一个主 应力的方向完全与地表垂直。但在绝大多数测点都发现确有一 个主应力接近于垂直方向,其与垂直方向的偏差不大于20?。这 一事实说明,地应力的垂直分量主要受重力的控制,但也受到 其它因素的影响。

§7.2.1

地应力分布的基本规律

之三:水平地应力普遍大于垂直地应力。

§7.2.1

地应力分布的基本规律

之四:平均水平应力与垂直应力的比值随深度增 加而减小,但在不同地区,变化的速度很不相 同。

§7.2.1

地应力分布的基本规律

之五:最大水平主应力和最小水平主应力也随深 度呈线性增长关系。 Stephansson方程:
最大水平主应力: 最小水平主应力:

§7.2.1

地应力分布的基本规律

之六:最大水平主应力和最小水平主应力之值一 般相差较大,显示出很强的方向性。

§7.2.1

地应力分布的基本规律

之七:地应力的上述分布规律还会受到地形、地 表剥蚀、风化、岩体结构持征、岩体力学性 质、温度、地下水等因素的影响,特别是地形 和断层的扰动影响最大。

§7.2.2

高地应力区的若干特征

(1)岩芯饼化与地应力差有关 (2)地下硐室施工过程中出现岩 爆、剥离 (3)隧洞、巷道、钻孔的缩径现 象是高地应力区的一种标志 (4)边坡上出现错动台阶 (5)原位变形曲线的变化 预压缩 岩芯饼化

§7.2.3

地应力测量的基本原则和方法

■ 直接测量法:
由仪器直接测量和记录各种应力量,如补偿应力、 恢复应力、平衡应力,并由这些应力量和原岩应力 的相互关系,通过计算获得原岩应力值。
在计算过程中并不涉及不同物理量的相互换算,不需要知 道岩石的物理力学性质和应力应变关系。

§7.2.3

地应力测量的基本原则和方法

■ 间接测量法:
由仪器测量和记录岩体与应力有关的间接物理量的 变化,如岩体中的变形或应变,岩体的密度、渗透 性、吸水性、电磁、电阻、电容的变化,弹性波传 播速度的变化等,然后由测得的间接物理量的变 化,通过已知的公式计算出岩体中的应力值。

§7.2.3

地应力测量的基本原则和方法

■ 间接测量法:
在间接测量法中,为了计算应力值,首先必须确定 岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的 相互关系等。 典型的地应力间接测量法:套孔应力解除法 地球物理方法

§7.3.3

水压致裂法

图7-11 水压致裂应力原理

§7.3.3

水压致裂法

非均匀分布应力场下圆孔周边应力分布:

σ θ = σ 1 + σ 2 ? 2(σ 1 ? σ 2 ) cos 2θ σr = 0
当θ=0°时:

σ θ = 3σ 2 ? σ1

§7.3.3

水压致裂法

1、水压致裂测量原理: (1)当水压超过达到:

pi = 3σ 2 ? σ1 + Rt
钻孔壁将在σ1所在方位发生初始开裂。 (2)继续注水,当裂隙扩展深度达3倍钻孔 直径时关阀,停止加压,水压力和原岩应力σ2 相平衡:

ps = σ 2

§7.3.3

水压致裂法

1、水压致裂测量原理: (3)如果封隔段处存在裂隙水压力p0,则:

pi = 3σ 2 ? σ1 + Rt ? p0
(4)初始裂隙产生后,水压卸除,裂隙闭 合,再重新注水加压:

pr = 3σ 2 ? σ1 ? p0

§7.3.3

水压致裂法

图7-12 水压致裂应力测 量系统示意图 1.记录仪;2.高压泵; 3.流量计;4.压力计; 7.高压钢管;6.高压胶 管 ; 7 . 压 力 表 ; 8 . 泵 ; 9.封隔膜;10.压裂段

§7.3.3

水压致裂法

2、测量步骤:
A 钻孔,封隔加压 段; B 多循环注水测压; C 封隔器卸压,回撤 仪器; D 测量压裂裂隙和天 然裂隙位置、方向。 图7-13 水压致裂试验压力-时间、流量-时间曲线图

§7.3.3

水压致裂法

3、特点分析: (1)是一种二维应力测量方法,只能测垂直 于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大 小和方向; (2)以岩石连续、均匀和各向同性假设为条 件,适用于完整脆性岩石中; (3)能够测量深部应力。

§7.3.4

声发射法

1、测量原理 材料在受到外载荷作用时,其内部贮存的应变能快速 释放产生弹性波,发生声响,称为声发射。 多晶金属的应力从其历史最高水平释放后,再重新加 载,当应力未达到先前最大应力值时、很少有声发射 产生,而当应力达到和超过历史最高水平后,则大量 产生声发射,这一现象叫做Kaiser效应。从很少产生 声发射到大量产生声发射的转折点称为Kaiser点,该 点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。

§7.4.1

套孔应力解除法

套孔应力解除法是发展时间最长,技术上比较 成熟的一种地应力测量方法。 在测定原岩应力(绝对应力)的适用性和可靠性 方面,目前还没有哪种方法可以和应力解除法 相比。

§7.4.1

套孔应力解除法

图7-16

应力解除法测量步骤示意图

图 垂直钻孔轴线的平面孔内的孔径 变形和应力状态示意图

?(U1 + U 2 + U 3 ) + ? E ? ? σ1 = 2 ? 2 6d (1 ?ν ) ? (U1 ? U 2 ) 2 + (U 2 ? U 3 ) 2 + (U 3 ? U1 ) 2 ? ? 2 ? ? ?

? ? 2 E ?(U + U + U ) ? ? 2 σ2 = ?? 2 ? 6d (1 ? ν ) ?× (U ? U ) 2 + (U ? U ) 2 + (U ? U ) 2 ? 1 2 2 3 3 1 ? ?

? ? 2 E ?(U1 + U 2 + U 3 ) ? ? 2 ?? σ2 = 2 ? 6d (1 ? ν ) ?× (U ? U ) 2 + (U ? U ) 2 + (U ? U ) 2 ? 2 3 1 ? 2 1 ? 1 3 2 3

3 (U 2 ? U 3 ) 1 ?1 β = ? tan 2 2U1 ? U 2 ? U 3

4 P0 rR E= 2 2 U (R ? r )
2

第七章习题与思考题
1.简述地应力测量的重要性和高地应力区的特征。 2.地应力测量方法分那两类?两类的主要区别在哪里? 3.简述水压致裂法的基本测量原理和步骤,并对对水压致裂法的 主要优缺点做出评价。 4.简述套孔应力解除法的基本测量原理和主要测量步骤。 5. 简述地壳浅部地应力分布的基本规律。


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